Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УДК 621.565

На правах рукописи

Серенов Иван Иванович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАМОРАЖИВАНИЯ ПРИ СОЗДАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ХЛАДОЕМКОЙ МАССЫ ВОДНОГО ЛЬДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПОТЕНЦИАЛА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Специальность 05.04.03 – Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Маринюк Борис Тимофеевич

Москва – 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ОГЛАВЛЕНИЕ………………………………………………………………………2

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. Использование потенциала отрицательных температур окружающей среды в системах холодильной техники (по данным литературных
источников). Постановка задачи исследования. 9

1.1. Оценка потенциальных возможностей использования природного холода
для холодоаккумуляции льда в Центральном федеральном округе России 10

1.2. Обзор практических достижений по использованию природного холода
для холодоаккумуляции льда и охлаждения воды 12

1.3. Теоретическое и экспериментальное исследование замораживания воды
в различных геометрических формах 23

1.3.1. Анализ существующих решений задачи о затвердении сферических
капель воды 23

1.3.2. Анализ существующих решений задачи о промораживание плоско-
параллельного слоя 31

1.4. Цель и задачи исследования 34

Глава 2. Моделирование процесса образования водного льда в различных геометрических формах с использованием низкотемпературного воздуха 35

2.1. Расчетная модель процесса замораживания плоско-параллельного
слоя воды с использованием холодного воздуха 35

2.2. Расчетно-теоретическая модель процесса замораживания сферического
слоя воды при внешнем воздействии потока воздуха с отрицательной
температурой 38

Стр.
2.2.1. Расчетная модель промерзания сферического слоя воды с
использованием стационарного распределения температур на
основе гипотезы проф. Лейбензона Л.С. 38

2.2.2. Расчетная модель промерзания сферического слоя воды на основе
решения нестационарного уравнения теплопроводности Фурье
(информационный подход) 41

2.3. Расчетная модель оттаивания ледяной сферы 45

Глава 3 Описание экспериментальных установок и методика проведения
опытов. Оценка погрешности выполнения опытов 48

3.1. Описание экспериментальной установки по замораживанию
водонасыщенной сферы 48

3.1.1. Обоснование выбора гидрофильного материала для имитации
сферического шара воды 51

3.2. Описание экспериментальной установки по замораживанию плоско-
параллейного слоя 55

3.3. Описание эксперимента по оттаиванию водоледяной сферы 58

3.4. Описание эксперимента по определению коэффициента теплоотдачи со
стороны воздуха к сфере 60

3.5. Описание экспериментального стенда холодоаккумуляционной градирни ..63

3.6. Оценка погрешности измерительных приборов 66

Глава 4. Сравнение результатов теоретического и экспериментального исследований 70

4.1. Результаты сопоставления роста толщины слоев водного льда
сферической формы 70

4.2. Результаты сопоставления роста толщин водного льда плоско-
параллельной формы 71

Стр.
4.3. Результаты сопоставления таяния сферы водного льда омываемой
теплой водой 72

4.4. Влияние коэффициента теплоотдачи на скорость замораживания
сферической формы воды (результаты расчета) 74

Глава 5. Макетные образцы холодоаккумуляционных устройств. Описание, методика и пример расчета 75

5.1. Описание и принцип расчета холодоаккумуляционной градирни со
сферической насадкой 75

5.1.1. Методика теплового конструктивного расчета холодоаккумуляционной
градирни 78

5.1.2. Пример расчета холодоаккумуляционной градирни со сферической
насадкой 80

5.2. Описание и методика теплового конструктивного расчета
холодоаккумуляционного устройства для получения плитчатого льда 85

5.2.1. Методика теплового конструктивного расчета холодоаккумуляционного
устройства 87

5.2.2. Пример расчета холодоаккумуляционного устройства для получения
плитчатого льда 88

Выводы и основные результаты работы 91

Список вводимых сокращений 92

Список используемой литературы 94

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Возрастание проблем влияния техногенного фактора на окружающую среду и рост стоимости электроэнергии вызывают необходимость поиска мер по энергосбережению и защите окружающей среды. Использование возобновляемых источников энергии, к которым относятся ресурсы отрицательных температур окружающей среды, позволяют снизить расходы электроэнергии в действующих установках холодильной системы, что согласуется в принятом ФЗ №261 от 23.11.2009 (ред. от 03.07.2016) «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [1].

Климатические условия России обладают существенными запасами холода в виде атмосферного воздуха с отрицательными температурами, которые наблюдаются в осенне-зимний период года. Природный холод можно успешно использовать для целей аккумуляции льда с дальнейшем применением для охлаждения воды до околонулевых температур.

Рост цен на энергоносители, в том числе на электроэнергию, носит объективный характер, так как стоимость добычи ископаемых энергоносителей как и затраты на транспортировку их к местам потребления возрастают.

В статье «Актуальные направления развития техники низких температур», говоря о нарастании дефицита энергии в 21 веке, проф. д.т.н. Калнинь И.М. прогнозировал возрастание использования естественного холода наружного воздуха для аккумуляции водного льда. В этой связи принятое научное направление исследования является актуальной задачей.

Ледяная вода используется при реализации следующих процессов:

– охлаждение и хранение молока, кисломолочных продуктов, мороженого, соков, овощной и фруктовой продукции;

– изготовление сыров – дозревание головок в холодильных камерах;

– промывка, хранение, упаковка охлажденного мяса, птицы, рыбы;

– приготовление сырья для пива и поддержание температурного режима брожения;

– замешивание и доведение теста до нужной консистенции в хлебобулочном производстве;

– кондиционирование воздуха в развлекательных центрах, кинозалах и прочих заведениях;

– производство бетона и цементных смесей;

– производство пластмасс для охлаждения форм и фильер;

– в химической и фармацевтической промышленности для охлаждения технологических и производственных процессов [75].

Целью работы является создание эффективных устройств холодоаккумуляции на основе процесса замораживания воды в различных формах с использованием низкого потенциала отрицательных температур окружающей среды.

Задачи исследования:

1. Разработка расчетно-аналитического описания процесса замораживания воды в различных ее формах.

2. Получение экспериментальных данных в условиях эксплуатационных режимов на опытном стенде холодоаккумуляционной установки.

3. Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчета по составленной математической модели.

4. Создание конструктивной схемы холодоаккумуляционной установки способной вести накопление льда при слабоотрицательных температурах окружающего воздуха.

5. Создание методики расчетного проектирования холодоаккумуляционной установки.

Научная новизна:

1. Созданы математические модели процесса замораживания водной среды в различных ее геометрических формах (плоско-параллельный слой и сфера).

2. Получены аналитические зависимости, определяющие динамику замораживания водного льда в различных его формах.

3. Выявлены параметры, определяющие скорость развития процесса промораживания водной среды в различных ее геометрических формах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод расчета динамики намораживания льда в различных геометрических формах на основе информационного подхода.

2. Результаты расчетного исследования процесса замораживания водного льда.

3. Результаты экспериментальных исследований на моделях и опытной холодоаккумуляционной установки.

Личный вклад соискателя:

Участие в постановке задачи моделирование процесса замораживания капли воды в потоке холодного воздуха. Расчеты по математическим моделям. Создание стендов для проведения опытов. Сопоставление результатов расчетов с опытными данными, полученными на стендах.

Практическая значимость

Предложена конструктивная схема холодоаккумуляционной установки, позволяющей работать при слабых потенциалах отрицательных температур окружающего воздуха, начиная с минус 1.5℃ и ниже, такая схема обладает признаками оригинальности, подана заявка в Роспатент на предполагаемое изобретение.

Разработана методика расчетного проектирования холодоаккумуляционной установки. Полученные обобщения позволяют вести анализ влияния характеристик процесса на развитие динамики замораживания сферического слоя воды. Представленные результаты могут быть использованы для расчетов времени экспозиции при замораживании водонасыщенных лесных ягод перед закладкой их в морозильную камеру для длительного сохранения.

Решение задачи замораживания плоско-параллельного слоя воды позволяет рассчитать производительность льдогенератора, использующего потенциал отрицательных температур окружающего воздуха для создания холодоаккумуляционной массы водного льда при его закладке зимой в льдобунтах для хранения и использования летом. Полученное обобщение может быть так же использовано для определения несущей способности слоя льда на водоемах в предзимний период, что важно при организации переправ и зимников, для движения людей и транспорта.

Апробация работы

Основные положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» 14–16 декабря 2011 г., (Москва, 2011); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» 10–12 декабря 2013 г., (Москва, 2013); Научно-практической конференции посвященной Л.А. Костандова, ноябрь 2014, Университет Машиностроения, (Москва, 2014); Научно-практической конференции посвященной Л.А. Костандова, ноябрь 2015, Университет Машиностроения, (Москва, 2015); Научно-практическая конференция «Развитие индустрии холода на современном этапе» 2-3 марта 2016г., (Москва, 2016).

Глава 1. Использование потенциала отрицательных температур окружающей среды в системах холодильной техники (по данным литературных источников). Постановка задачи исследования.

Современная энергетика в основном базируется на невозбновляемых источниках энергии, которые негативно влияют на окружающую среду. Как известно, использование невозбновляемых источников энергии отрицательно сказывается на окружающей среде, а также является тупиковым развитием энергопотребления в связи с ограниченностью таких ресурсов и их истощение (нефть, газ и т.д.) [2].

Различные сценарии развития энергообеспечения производственных процессов предполагают необходимость широкого освоения новых возобновляемых источников энергии уже в ближайшее время как по причине неизбежного сокращения добычи и повышения стоимости энергоносителей, так и по экологическим причинам (эмиссия СО₂ и других вредных воздействий традиционной энергетики на окружающую среду). Использование возобновляемых источников энергии, как правило, не несут разрушающего воздействия на окружающую среду, а в большей степени являются экологически чистыми [2].

Из различных видов возобновляемых источников энергии для техники низких температур имеет особую значимость тепловой потенциал окружающей среды, так как территория России обладает огромными запасами холода. В частности, на сегодняшний день в холодильной технике нашей страны слабо задействован природный холод – морозный воздух, который можно успешно использовать в процессах холодоаккумуляции льда. Технические системы, установки для использования естественного холода, как правило, просты по устройству, доступны для изготовления в местных условиях, высоконадежны, исключают использование экологически опасных хладоносителей (фреоны, углекислота), значительно минимизируют расход электроэнергии по сравнению с машинами искусственного холода [3, 4, 5, 6].

1.1. Оценка потенциальных возможностей использования природного холода для холодоаккумуляции льда в Центральном федеральном округе России

Центральный федеральный округ расположен в центре Восточно-Европейской равнины. Территория округа составляет 650 205 км². В его состав входят 18 субъектов Российской Федерации: Белгородская, Брянская, Владимирская, Воронежская, Ивановская, Калужская, Костромская, Курская, Липецкая, Московская, Орловская, Рязанская, Смоленская, Тамбовская, Ярославская области. Округ является самым заселенным федеральным округом России – 38.3 млн человек [76].

Климат Центрального ФО умеренно-континентальный, средняя температура января от -7 до -14℃, июля от +16 до +22℃.

Японские ученые, исследуя эффективность аккумулирования природного холода для нужд сельскохозяйственного производства, пришли к выводу - аккумулирование природного холода высокоэффективно в областях, где индекс холода больше 400 градусосуток [7].

Индекс холода вычисляется по формуле (1.1):

где - среднесуточная температура окружающего воздуха в зимний период времени, град; – количество дней в году с температурой ниже ноля.